(57)【要約】【課題】  超音波振動子アレイを構成する超音波振動子の数を多くしても、超音波トランスデューサから引き出される配線の数が少なく、ケーブルを細径化する。【解決手段】  圧電素子アレイ１における各圧電素子１ａは電荷結合素子２を構成する各電荷蓄積部２ａと電気的に接続され、かつ圧電素子アレイ１には音響レンズ６が装着されており、超音波出射部８と駆動部９とからなる超音波送信手段７が設けられ、駆動部９からの駆動信号に基づいて超音波を出射させ、音響インピーダンスの差がある部位での反射エコーが圧電素子アレイ１に入射され、電荷結合素子２の電荷蓄積部２ａに蓄積された信号電荷は転送部に転送されて、この転送部からケーブル１４を介して画像信号が画像信号処理回路４に出力される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電素子を二次元的に配列した圧電素子アレイと、
音源物体から発生し、または音響インピーダンスの差がある境界部に反射した音の像をこの圧電素子アレイ上に結像させる音響レンズと、
前記圧電素子アレイを構成する各々の圧電素子にそれぞれ電荷蓄積部を電気的に接続させた電荷結合素子と、
この電荷結合素子により取得した信号を画像化処理する信号処理手段と
から構成したことを特徴とする音像イメージング装置。
【請求項２】
前記境界部に音を反射させるために、超音波を送信する超音波送信手段を備える構成としたことを特徴とする請求項１記載の音像イメージング装置。
【請求項３】
前記音響レンズと前記圧電素子アレイとは、間に超音波伝達媒体を介して組み込み、かつこの圧電素子アレイを前記固体撮像手段に各圧電素子と各電荷蓄積部とを電気的に接続するようにして搭載することによって超音波画像生成手段となし、この超音波画像生成手段と、超音波送信手段とを挿入部の先端に装着する構成としたことを特徴とする請求項１記載の音像イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検者の体内組織に関する情報等を取得するために用いられる音像イメージング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被検者の体内に挿入して検査や診断を行うための装置として、内視鏡及び超音波診断装置がある。内視鏡は、体内に挿入される挿入部を備えており、この挿入部の先端には照明部と観察部とからなる内視鏡観察手段が設けられている。従って、挿入部を体内に挿入し、照明部からの照明光により体腔内を照明することによって、観察部による体内画像が取得できる。
【０００３】
また、超音波診断装置は、超音波トランスデューサを有し、この超音波トランスデューサから体内に向けて超音波パルスを送信し、体内組織の断層部からの反射エコーを受信して、所定の信号処理を行うことによって、超音波画像を構築するものである。この超音波の送受信は体外皮から行う場合と、体内に挿入して体内壁から超音波の送受信を行う構成としたものも使用されている。体内に挿入する場合には、内視鏡と同様、体内への挿入部を備えるが、この挿入部は単独若しくは内視鏡その他の装置をガイド手段として体内に挿入されることになる。
【０００４】
所定の範囲にわたって超音波画像を構築するためには、超音波トランスデューサにより超音波走査を行うが、走査方式としては機械走査式と電子走査式とがある。電子走査式の超音波トランスデューサは、例えば特許文献１に開示されているように、多数の超音波振動子をライン状または平面状に配列することにより超音波振動子アレイを構成する。これら各超音波振動子はそれぞれ個別的に駆動されるか、また同時にまたは所定の時間差をもって複数の超音波振動子が駆動されることになる。従って、電子走査を行う超音波トランスデューサを構成する各超音波振動子には個別的に配線を接続され、かつそれぞれに遅延回路が接続される。
【特許文献１】特開２００２−２３８９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前述したように、超音波トランスデューサの超音波振動子アレイを構成する各超音波振動子に配線を接続すると、多数の配線が必要となり、この超音波トランスデューサを作動させることによって取得される超音波画像の解像度を向上させるためには、極めて多くの超音波振動子を配列しなければならず、このために超音波トランスデューサに接続される配線の数は膨大なものとなってしまう。これらの配線はケーブルとして１本化されるが、配線数が多くなれば、それだけケーブルが太径化する。体外皮から超音波走査を行う超音波診断装置では、ケーブルが太くなったとしても、このケーブルが極端に太くならない限り、操作する上で格別差し支えはない。しかしながら、体内に挿入される挿入部の先端に超音波トランスデューサを設けるように構成した体内挿入型の超音波診断装置にあっては、ケーブルが太径化すると、挿入部の挿入操作の操作性が悪くなるだけでなく、被検者に苦痛を与えることになり、またケーブルが甚だしく太径化すると、体内に挿入することができなくなる可能性もある。従って、挿入部に装着される超音波トランスデューサにあっては、超音波振動子アレイを構成する超音波振動子の数には限度があり、超音波画像の解像度をある程度犠牲にしなければならないことがある。
【０００６】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、超音波振動子アレイを構成する超音波振動子の数を多くしても、超音波トランスデューサから引き出される配線の数が少なく、ケーブルを細径化できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した目的を達成するために、本発明は、複数の圧電素子を二次元的に配列した圧電素子アレイと、音源物体から発生し、または音響インピーダンスの差がある境界部に反射した音の像をこの圧電素子アレイ上に結像させる音響レンズと、前記圧電素子アレイを構成する各々の圧電素子にそれぞれ電荷蓄積部を電気的に接続させた電荷結合素子と、この電荷結合素子により取得した信号を画像化処理する信号処理手段とから構成したことをその特徴とするものである。
【０００８】
圧電素子アレイを構成する各圧電素子は、音像を形成する対象物体で発生する音波を受信して電気信号に変換する。この電気信号は電荷結合素子に取り込まれて信号処理手段に転送される。ここで、電荷結合素子はテレビカメラ等の撮像手段を構成する固体撮像素子と同様の構成であって、各々の電荷蓄積部を圧電素子と同様に二次元的に配列したものであり、電荷蓄積部は、画像化処理する際における各画素を構成するものである。そして、電荷蓄積部には転送部が接続されており、この転送部による転送方式はフレーム転送方式やインターライン転送方式があるが、いずれの転送方式も採用可能である。電荷結合素子に駆動信号を供給し、固体撮像素子からの信号電荷を読み出すのに必要な数の配線が接続されるが、圧電素子アレイを構成する圧電素子の数を多くしても、格別配線数が増えることはない。
【０００９】
圧電素子アレイは受信専用のものであり、この圧電素子アレイに向けて音波を送信させる必要がある。物体に音源があれば、この音源から発生する音を圧電素子アレイで受信させて、音像を取得することもできるが、検出対象となる物体に音源が存在しない場合には、超音波送信手段を設けるようにする。この超音波送信手段から間欠的または連続的に音を発生させて、体内における音響インピーダンスの差がある組織等の境界部からの反射エコーを圧電素子アレイで受信させるように構成する。圧電素子アレイには音響レンズが装着されているので、反射エコーがこの音響レンズを介して圧電素子アレイに入射されることによって、所定の位置の音像が圧電素子アレイ上に結像される。ここで、電荷結合素子に掃き出しパルスを入力して蓄積された電荷を信号処理手段には伝送されずに掃き出すように制御することができるように構成することもできる。このように、電荷蓄積及び掃き出しのタイミングを設定することによって、つまり電荷蓄積・掃き出し制御を行う構成とすることによって、所望の位置での音像が取得される。この音像は体内におけるある深さ位置での圧電素子アレイと概略平行な超音波断層像が得られることになる。
【発明の効果】
【００１０】
所定範囲にわたって超音波電子走査を行うに当って、遅延回路を必要とすることがなく、また超音波画像生成手段から引き出される配線数は、固体撮像素子を駆動するのに必要な本数だけであり、超音波画像の解像度を向上させるために、圧電素子アレイを構成する圧電素子の数を増やしたとしても、超音波画像生成手段に接続されるケーブルを細径化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の一形態について説明する。まず、図１に音像イメージング装置の概略構成を示す。図中において、１は圧電素子アレイを示し、この圧電素子アレイ１は多数の圧電素子１ａをＸＹ方向（縦横）に多数配列した二次元平面構造のものである。この圧電素子アレイ１は電荷結合素子２に接続されている。電荷結合素子２は、多数の電荷蓄積部２ａと転送部（図示せず）とから構成され、各々の電荷蓄積部２ａに蓄積された信号電荷は転送部に転送されて、この転送部から画像信号として取り出されることになる。従って、圧電素子アレイ１における各圧電素子１ａは電荷結合素子２を構成する各電荷蓄積部２ａと電気的に接続されている。ここで、電荷結合素子２を構成する各電荷蓄積部２ａに蓄積される信号電荷は、各圧電素子１ａにより受信された反射エコーの音圧レベルに関する信号に基づくものであり、この反射エコー信号が圧電素子１ａからそれぞれ対応する電荷蓄積部２ａに伝送される。
【００１２】
電荷結合素子２には駆動制御回路３が接続されており、また超音波画像信号処理回路４が接続されている。駆動制御回路３からは電荷結合素子２に駆動制御信号が入力されるようになっている。この駆動制御信号としては、電荷蓄積部２ａから転送部への転送信号及び蓄積された電荷の掃き出し信号、水平転送部からの転送信号等が含まれる。そして、この電荷結合素子２から伝送される画像信号は超音波画像信号処理回路４に伝送され、この超音波画像信号処理回路４によって信号処理が行われて画像化され、これが超音波画像として画像表示装置５に表示されることになる。
【００１３】
また、圧電素子アレイ１の電荷結合素子２の装着側とは反対側の面、つまり超音波反射エコーの受信面には音響レンズ６が対向配設されており、この音響レンズ６により体内における所定の深さ位置の音像が圧電素子アレイ１上に結像される。
【００１４】
さらに、７は超音波送信手段であって、この超音波送信手段７は超音波出射部８と駆動部９とから構成される。超音波出射部８は、例えば圧電素子からなり、その駆動部９からの駆動信号に基づいて超音波を出射させるものである。ここで、駆動部９では超音波出射部８から超音波を間欠的に、または連続波として出射するように制御されるようになっている。従って、超音波送信手段７から送信された超音波送信信号は体内に向けて送信されて、体内に拡散しながら伝播することになる。そして、体内組織の断層部で、つまり音響インピーダンスの差がある部位で反射エコーが発生し、この反射エコーが圧電素子アレイ１に入射される。この圧電素子アレイ１の入射面には音響レンズ６が設けられているので、この音響レンズ６により体内における所定の深さ位置の組織断面情報が得られる。
【００１５】
音像イメージング装置は以上のように構成されるが、この音像イメージング装置は被検者の体内に挿入されて、体内組織に関する情報を取得するための体内挿入型の超音波診断装置として用いられる。このために、図２に示したように、少なくとも超音波送信手段を構成する超音波出射部８と、音響レンズ６及び圧電素子アレイ１と電荷結合素子２とからなる超音波画像生成手段１０とが被検者の体腔内に挿入される挿入部１１に装着される。超音波画像生成手段１０は、音響レンズ６を装着したレンズ鏡筒１２を有し、圧電素子アレイ１及び電荷結合素子２は挿入部１１の軸線方向に設けられている。従って、音響レンズ６から入射される音像は圧電素子アレイ１に結像されることになる。また、レンズ鏡筒１２の内部において、２枚構成からなる音響レンズ６の間の空間及び圧電素子アレイ１までの空間には、例えば流動パラフィン等の超音波伝達媒体が封入されており、これにより体内からの反射エコー信号が圧電素子アレイ１により受信されるまでの間に、この信号が減衰するのを抑制している。ここで、圧電素子アレイ１と電荷結合素子２とからなるユニットは、図３に示したように、挿入部１１の軸線方向に配置することもできる。この場合には、音響レンズ６から入射された音像に関する信号はレンズ鏡筒１２の端部に設けられた反射面１３に反射した後に電荷結合素子２に取り込まれることになる。
【００１６】
超音波出射部８に駆動信号を入力する駆動部９と、電荷結合素子２に駆動用の信号を送信し、かつこの電荷結合素子２からの信号を読み取って超音波画像信号を生成する超音波画像信号処理回路４等は被検者の体外に位置させている。従って、挿入部１１にはケーブル１４が挿通されて、このケーブル１４により信号の授受が行われる。
【００１７】
ここで、画像表示手段に表示される超音波画像の解像度を高くするには、圧電素子アレイ１を構成する圧電素子１ａの配列数を多くする必要がある。この圧電素子アレイ１を構成する各圧電素子１ａから直接配線を引き出しておらず、各々の圧電素子１ａは電荷結合素子２における電荷蓄積部２ａに接続されている。そして、図１から明らかなように、電荷結合素子２にその駆動に必要な数の配線１５ａが接続され、またこの電荷結合素子２からの出力信号を伝送する配線１５ｂと、超音波送信手段７を構成する超音波出射部８と駆動部９との間の配線１５ｃが設けられている。これら配線１５ａ〜１５ｃがケーブル１４を構成する。
【００１８】
従って、圧電素子アレイ１は基本的には電子走査が行われるものであるが、通常の電子走査のように圧電素子アレイ１から超音波を送信するのではないので、圧電素子アレイ１を構成する個々の圧電素子１ａに遅延回路等を接続する必要はなく、電荷結合素子２の電荷蓄積部２ａに直結させており、その構成が簡略化する。また、超音波画像の画質向上のために、圧電素子アレイ１を構成する圧電素子１ａの数を増やしても、ケーブル１４は格別太径化することがなく、挿入部１１の細径化が可能となる。このために、被検者の体腔に挿入部１１を挿入する操作が容易になり、また被検者の苦痛の軽減が図られる。
【００１９】
体内挿入型の超音波診断装置として構成される音像イメージング装置を用いることによって、図４に示した手順により体内の所定の深さ位置における超音波断層像を取得することができる。即ち、超音波送信手段７の超音波出射部８から超音波パルスを被検者の体内に向けて送信し（ステップ１）、このようにして体内に向けて送信された超音波は、体内組織における音響インピーダンスの差がある部位から反射して、この反射エコーが圧電素子アレイ１を構成する各圧電素子１ａに受信されて電圧が発生する。これによって、電荷結合素子２における各圧電素子１ａに接続した電荷蓄積部２ａには電荷が蓄積される。
【００２０】
そして、所定の時間が経過したときに、駆動制御回路３から電荷結合素子２に掃き出しパルスを送信する（ステップ２）。これによって、一度電荷結合素子２に蓄積された信号電荷はドレンに排出される。その後に、圧電素子アレイ１における各圧電素子１ａに体内組織断層部からの反射エコーが受信されて、この反射エコーの大きさに応じた電気信号が得られる。この信号は電荷結合素子２における各電荷蓄積部２ａに蓄積される。このように、掃き出し制御信号を電荷結合素子２に印加することによって、体内組織の情報が取得される断層面の位置が設定される。
【００２１】
その後、所定時間が経過すると、電荷結合素子２に転送制御信号が入力される（ステップ３）。その結果、電荷結合素子２の各電荷蓄積部２ａに蓄積された信号電荷が水平転送部に転送され（ステップ４）、さらにこの水平転送部からの信号が読み出されて、超音波画像信号処理回路４に伝送される。ここで、電荷結合素子２における掃き出しパルスを印加した後、転送信号が入力されるまでの間のタイミングを設定することによって、体内における観察しようとする厚みが制御される。この間の時間間隔を短くすると、その分だけ距離分解能が高くなるが、ダイナミックレンジが低下する。一方、掃き出しパルスを印加してから転送信号が入力されるまでの時間を長くすると、距離分解能が低下するが、信号のＳ／Ｎ比が高くなる。
【００２２】
超音波画像信号処理回路４に取り込まれた電荷結合素子２からの出力信号は、信号増幅（ステップ５）され、電圧値に応じて輝度信号に変換され（ステップ６）、さらに超音波画像を生成するのに必要な信号処理が行われて、画像表示装置５に超音波断層像が表示されることになる（ステップ７）。このようにして画像表示装置５に表示された超音波画像は音響レンズ６から距離Ｄ（図１参照）の位置における組織断層像である。この距離Ｄは、超音波パルスを送信した時から信号電荷の読み込みを開始するまでの時間に依存する。
【００２３】
以上の動作を１つのサイクルとして、これを繰り返すことによって、画像表示装置５における表示画像が更新される。なお、この超音波画像を取得するための動作サイクルは電荷結合素子２の画像生成時におけるビデオレートに同期させることが望ましい。
【００２４】
超音波送信手段７の超音波出射部８からは超音波パルスを送信する構成としたが、連続波の超音波を送信するようにしても良い。このように、連続波の超音波を送信すると、視野方向、つまり体内の深さ方向において重畳した信号が受信されることになるが、音響レンズ６は所定の焦点距離を有するものであることから、この音響レンズ６の焦点位置及びその近傍からの反射エコーが最も強くなるので、信号処理によっては音響レンズ６の焦点位置のおおまかな断層像が圧電素子アレイ１に結像されることになる。従って、連続波の超音波を送信することによっても、この音響レンズ６の焦点位置を中心とした音像を取得することができる。そして、この超音波の受信から信号の転送に至る動作サイクルを繰り返し行うと、体内における所定の深さ位置での臓器や血管等の動作をモニタリングすることができる。
【００２５】
また、例えば経静脈性超音波造影剤を被検者の末端静脈から注入することによって、血液の流れを検出することもでき、カラードップラ法と比較して、より広い空間的分解能が得られる。ここで、経静脈性超音波造影剤は、内部に空気が封入されたマイクロバブルからなり、多数のマイクロバブルを血流内に注入して、超音波が送信されている領域を通過させるようにすると、超音波はこのマイクロバルブにより反射エコーが生じることになる。血液及び体内組織と、マイクロバルブの内部の空気との間の音響インピーダンスの差は極めて顕著である。従って、極めて高い反射エコーの音響エネルギが得られることから、より鮮明な血流に関する情報を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の一形態を示す音像イメージング装置の構成説明図である。
【図２】図１の音像イメージング装置を体腔内挿入型の超音波診断装置として構成した場合の挿入部における先端部分の構成説明図である。
【図３】圧電素子アレイと電荷結合素子とからなるユニットを挿入部の軸線方向に配置した構造の音像イメージング装置の構成説明図である。
【図４】図１の音像イメージング装置により体内における超音波断層像を取得する手順を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  圧電素子アレイ      １ａ  圧電素子
２  電荷結合素子      ２ａ  電荷蓄積部
３  駆動制御回路      ４  超音波画像信号処理回路
５  画像表示装置      ６  音響レンズ
７  超音波送受信手段      ８  超音波出射部
９  駆動部      １０  超音波画像生成手段
１１  挿入部      １４  ケーブル
【図１】
2007082733.tif 000003
【図２】
2007082733.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007082733.tif 000006